本发明专利技术公开了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感，其中场效应晶体管的栅极与射频信号发生器的信号输出端相连接，源极接地，漏极分别与并联电感的一端、谐振电容的一端相连接，并联电感的另一端连接供电线路的直流输出端，谐振电容的另一端与串联电感的一端相连接，串联电感的另一端与射频功率检测器的输入端相连接，串联电感的一部分与谐振电容构成串联谐振网络，另一部分和场效应晶体管的输出电容构成使得场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。本发明专利技术具有效率高、结构简单以及成本低等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及射频功率输出装置，尤其是涉及一种基于E类功率放大电路的固态射频电源。
技术介绍
射频电源是用于产生射频功率信号的装置，属于半导体工艺设备的核心部件， 所有产生等离子体进行材料处理的设备都需要射频电源提供能量。在集成电路、太阳能电池和LED (Light Emitting Diode，发光二极管)的工艺制造设备，例如刻蚀机、PVD (Physical Vapor Deposition,PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor D印osition，等离子体增强化学气相沉积)、ALD (Atomic layer exposition，原子层沉积) 等设备，均装备有不同功率规格的射频电源。射频电源一般由射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器组成。按照放大电路的核心元器件划分，可分为电子管式射频电源和固态射频电源，其中电子管式射频电源采用电子管作为功率放大元件，而固态射频电源则采用晶体管作为功率放大元件。当前，国内厂商的产品以电子管式射频电源为主，虽然其具有较大的阻抗失配承受能力，但是因为存在着易老化、输出功率不稳定和工作电压高等缺点，只能作为一般教学科研设备中的部件。国外主流厂商，例如美国AE公司、Comdel公司和MKS公司，均采用晶体管作为功率放大元件，提供的固态射频电源已经广泛使用于主流的半导体工艺生产线。然而，这些国际厂商的固态射频电源基本上都利用低电压大电流的双极性晶体管作为功率放大元件，构建B类或C类的功率放大电路，然后采用功率合成的方式得到大功率的固态射频电源。根据电子线路的基本知识易知，B类和C类的功率放大电路属于线性放大，B类的理想效率为78. 5%，而C类虽然理想效率可达100%，但它是通过减小导通角来提高效率，然而导通角与基波振幅密切相关，基波振幅减小直接导致输出功率变小，因此减小导通角来提高效率并不适用属于大信号功率放大的射频电源。由此，采用B类和C类功率放大电路的射频电源存在着效率不高，发热量大的问题。当前，集成电路制造产业向着更大尺寸的目标发展，晶圆直径从4寸、6寸、8寸到 12寸，腔室的尺寸也需要同样增加，这意味着射频电源系统需要提供更大的功率以保证工艺设备能够处理更大面积的晶圆。然而，国际厂商所提供的固态射频电源，实现大功率需要由多个射频功率放大电路进行功率合成，单个C类射频放大电路的输出功率最大仅为200W 左右。例如，对于12寸晶圆的刻蚀工艺，一般需要1500W的射频电源，故需要采用8个射频功率放大电路来进行功率合成，但是如此构建大功率的射频电源，存在着结构复杂，器件增多，成本高，相应的检测电路复杂的问题。
技术实现思路
为了解决现有射频电源存在的效率低、发热量大以及构建大功率固态射频电源的结构复杂、成本高等问题，本专利技术提供了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，所述固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，所述射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感；其中所述场效应晶体管的栅极与所述射频信号发生器的信号输出端相连接，所述场效应晶体管的源极接地， 所述场效应晶体管的漏极分别与所述并联电感的一端、谐振电容的一端相连接；所述并联电感的另一端连接所述供电线路的直流输出端，所述谐振电容的另一端与所述串联电感的一端相连接；所述串联电感的另一端与所述射频功率检测器的输入端相连接；所述串联电感的一部分与所述谐振电容构成串联谐振网络，所述串联电感的另一部分和所述场效应晶体管的输出电容构成能够使得所述场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述场效应晶体管的漏极耐压范围为200V 1000V,导通电流范围为IOA 50A，开关频率大于2MHz。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述场效应晶体管的漏极与地之间设有并联电容，所述并联电容的容值的取值范围为10 PF 1 nF;所述串联谐振网络的谐振频率与所述射频信号发生器的输出信号的频率相同，品质因数大于1。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述并联电感为高频扼流圈，所述高频扼流圈对所述射频信号发生器的输出信号频率具有高电抗。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述串联电感与所述射频功率检测器的输入端之间设有射频匹配滤波电路。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述射频信号发生器的信号输出端与所述场效应晶体管的栅极之间设有串联电阻。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述射频信号发生器包括晶振、信号调理电路和射频信号驱动芯片，所述信号调理电路对来自于所述晶振的射频信号进行调制且将已调制的射频信号输出至所述射频信号驱动芯片的射频信号输入端，所述射频信号驱动芯片对所述已调制的射频信号进行放大后发送至所述射频信号发生器的信号输出端。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述信号调理电路对来自于所述晶振的射频信号进行调制包括分频、调整占空比或整形。进一步地，本专利技术还具有如下特点所述射频信号发生器的输出信号频率为 2MHz、13. 56MHz 或 27. 12MHz。进一步地，本专利技术还具有如下特点根据所述固态射频电源输出功率的大小，所述场效应晶体管的数量为2、4、8或16个。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点A、由于本专利技术采用E类功率放大电路构建射频功率放大电路，E类功率放大电路的特性在于通过选择合适的器件参数(例如电容、电感)使得场效应晶体管的漏极电压和电流不同时出现，即晶体管上不存在功率损耗，从而获得100%的理想效率；与C类功率放大相比，E 类功率放大可以在不改变输出功率的前提下获得较大的效率，本专利技术射频功率放大电路的损耗主要由场效应晶体管的饱和内阻造成，实际效率可高达90%，故发热量小；B、本专利技术的射频功率放大电路结构简单，成本低；C、本专利技术的射频功率放大电路采用一个场效应晶体管，可以实现1000W的输出功率， 如果需要实现2000W的输出功率，只需要2个场效应晶体管，而现有技术则需要16个(按照功率合成的原理，在构建大功率时，功率放大晶体管的数量一般为2的整数次幂，现有技术的单个晶体管输出功率最大仅为200W)，所以本专利技术构建大功率电源的结构相对简单，器件使用少，成本较低；D、本专利技术的射频功率放大电路采用较高品质因数的串联谐振网络和射频匹配滤波电路，因此固态射频电源的输出波形为等幅等频的标准正弦，输出功率稳定，使用寿命长，精度尚。附图说明图1为本专利技术的射频信号发生器的电路原理框图2为本专利技术的射频功率放大电路的第一种实施方式的电路原理图； 图3为本专利技术的射频功率放大电路的第二种实施方式的电路原理图； 图4为本专利技术的射频功率放大电路的第三种实施方式的电路原理图； 图5为本专利技术的射频功率放大电路的第四种实施方式的电路原理图； 图6为本专利技术的射频功率放大电路的第五种实施方式的电路原理图； 图7为本专利技术的射频功率放大电路的第六种实施方式的电路原理图。具体实施例方式为了深入了解本专利技术，下面结合附图及具体实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供了一种基于E类功率放大电路的固态射频电源。所谓固态射频电源是指射频功率放大电路的核心放大部件为晶体管，而不是传统的电子管。E类放大电路起源于上世纪80年代初，因为没有高频高耐压的器件，早期只本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于Ｅ类功率放大电路的固态射频电源，所述固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，其特征在于：所述射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感；其中所述场效应晶体管的栅极与所述射频信号发生器的信号输出端相连接，所述场效应晶体管的源极接地，所述场效应晶体管的漏极分别与所述并联电感的一端、谐振电容的一端相连接；所述并联电感的另一端连接所述供电线路的直流输出端，所述谐振电容的另一端与所述串联电感的一端相连接；所述串联电感的另一端与所述射频功率检测器的输入端相连接；所述串联电感的一部分与所述谐振电容构成串联谐振网络，所述串联电感的另一部分和所述场效应晶体管的输出电容构成能够使得所述场效应晶体管工作于Ｅ类开关模式的负载网络。
【技术特征摘要】
1.一种基于E类功率放大电路的固态射频电源，所述固态射频电源包括射频信号发生器、射频功率放大电路、供电线路和射频功率检测器，其特征在于所述射频功率放大电路包括场效应晶体管、谐振电容、串联电感和并联电感；其中所述场效应晶体管的栅极与所述射频信号发生器的信号输出端相连接，所述场效应晶体管的源极接地，所述场效应晶体管的漏极分别与所述并联电感的一端、谐振电容的一端相连接；所述并联电感的另一端连接所述供电线路的直流输出端，所述谐振电容的另一端与所述串联电感的一端相连接；所述串联电感的另一端与所述射频功率检测器的输入端相连接；所述串联电感的一部分与所述谐振电容构成串联谐振网络，所述串联电感的另一部分和所述场效应晶体管的输出电容构成能够使得所述场效应晶体管工作于E类开关模式的负载网络。2.根据权利要求1所述的固态射频电源，其特征在于所述场效应晶体管的漏极耐压范围为200V 1000V，导通电流范围为IOA 50A，开关频率大于2MHz。3.根据权利要求2所述的固态射频电源，其特征在于所述场效应晶体管的漏极与地之间设有并联电容，所述并联电容的容值的取值范围为10 pF 1 nF;所述串联谐振网络的谐振频率与所述射频信号发生器的输出信号的频率相同，品质因数大于1。4.根据权利要求3所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李勇滔，赵章琰，秦威，李英杰，夏洋，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：11
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